【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及三维点云处理，具体涉及一种基于激光雷达的三维空间快速标定和定位方法。
技术介绍
1、随着计算机技术的飞速发展，机器视觉被广泛应用到各种领域。在自动化工业现场，动作执行结构运动之前需要通过传感器获取目标的位置信息，而传感器获取的位置信息需要进一步转换到执行机构的坐标系下，才能让执行机构顺利执行任务。传感器坐标系到执行机构坐标系的转换关系需要提前通过标定确定下来。
2、以机械臂搭载单目相机实现目标物体提抓取为例，将相机固定在机械臂末端位置不断采集标准标定板的图像信息，拖动机械臂末端到达标定板指定位置并在机械臂控制系统中获取末端位置信息。机械臂标定系统通过机械臂末端位置信息、图像信息以及标定板上的标准信息，计算分析机械臂末端坐标系和相机坐标系的关系。这种方法不仅坐标换算关系复杂，标定精度依赖于标定信息的数据量，而且无法避免图像传感器在环境复杂的成像识别效果差的弊端。
3、目前通过机械臂搭载单目相机实现目标物体提抓取方式不仅坐标换算关系复杂，标定精度依赖于标定信息的数据量，而且无法避免图像传感器在环境复杂的成像识别效果差的弊端；通过三维空间的标定方式数据处理速度慢、图像传感器成像弊端依旧没有解决，无法应用到环境复杂的大场景。
技术实现思路
1、本专利技术提出了基于激光雷达的三维空间快速标定和定位方法，以解决数据处理过于复杂和图像传感器成像识别效果差的技术问题。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，
3、步骤s1：定义动作执行机构的工作空间坐标系o-xyz，测量位于工作区域内标准标定块的空间坐标位置；
4、步骤s2：安装激光雷达传感器并构建雷达坐标系o-uvw，采集工作区域的三维点云信息；
5、步骤s3：提取所述三维点云信息中标准标定块的点云位置；
6、步骤s4：通过坐标转换，将所述空间坐标系和雷达坐标系进行对应，构建两个坐标系的转换关系，以完成位置标定。
7、优选地，步骤s1中测量标准标定块顶部四个顶点的空间坐标位置。
8、优选地，所述激光雷达传感器安装于工作区域上方，可覆盖整个工作区域的任意位置。
9、优选地，步骤s3通过点云数据分割、点云数据投影、二维轮廓查询和反投影进行提取。
10、优选地，所述点云数据分割的方法包括：将采集到的点云数据利用移动最小二乘法将无序的点云数据进行平面拟合；利用点云数据拟合出标准标定块的各个表面，再根据拟合表面计算各表面的法向量；根据法向量方向滤除标准标定块侧面的无用点云数据。
11、优选地，所述点云数据投影的方法包括：将点云分割出来的数据进行二维平面投影到同一个平面，用不同灰度值表示距离生成平面的二维图像，在生成的图像中保留了三维物体轮廓。
12、优选地，所述二维轮廓查询的方法包括：在二维投影图像中利用物体特征检索出标定块的轮廓和角点。
13、优选地，所述反投影的方法包括：根据点云与二维投影图像的变换关系，将检测到的角点位置反投影到三维点云数据中，以确定三维点云数据中标准标定块顶点位置信息。
14、优选地，步骤s4所述空间坐标系和雷达坐标系的转换关系的表达式为：
15、
16、其中λ表示尺度参数，r表示坐标旋转变换矩阵；
17、
18、||pi-pj||o-xyz和||pi-pj||o-uvw表示两个坐标系下两个不同位置点pi和pj的距离；
19、r＝(i+s)(i-s)2 (3)；
20、
21、式中，i表示三阶单位矩阵，a、b和c表示独立元素；
22、消去平移参数后，将式(1)转化为：
23、
24、和表示在o-xyz和o-uvw坐标系下点pi和点pj坐标差值构成的矩阵；
25、带入顶点坐标，求得独立元素a、b和c；
26、之后根据求解的参数，通过以下公式求解平移参数：
27、
28、本专利技术还提供了一种基于激光雷达的三维空间快速定位方法，通过上述的基于激光雷达的三维空间快速标定方法实现，包括以下步骤：
29、步骤s21：利用激光雷达传感器对工作区域的三维空间进行标定后，通过激光雷达传感器采集工作区域内目标物体的点云信息；
30、步骤s22：利用标定的参数文件对点云数据进行坐标系位姿修正和点云数据分割；
31、步骤s23：三维点云信息向二维平面投影，利用二维图像检索识别，将检索的图像信息反投影到三维点云中，以确定目标物体的具体位置。
32、本专利技术的有益效果至少包括：
33、1)本专利技术提出的标定方法，不需要对激光雷达进行精准的安装，因此本方案在各种复杂环境的快速安装调试；
34、2)本专利技术使用激光雷达生成三维点云数据进行机械臂的标定，相较于采用二维图像数据，标定精度显著提升；
35、3)本专利技术将激光雷达作为检测物体位置信息的传感器，相较于使用相机，激光雷达传感器基本不受复杂环境影响，采集的数据更加稳定真实；
36、4)本专利技术中坐标转换模型使用代数运算替代了传统的三角运算，无需对旋转参数像线性化，能够实现三维空间转换关系的快速求解；
37、5)本专利技术提出的机械臂标定和定位方法相较于现有的方法，更加简单快捷，容易部署到各种应用场景，定位效果明显，有利于在复杂大场景下动作执行机构的精准定位。
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1.一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，其特征在于：步骤S1中测量标准标定块顶部四个顶点的空间坐标位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，其特征在于：所述激光雷达传感器安装于工作区域上方，可覆盖整个工作区域的任意位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，其特征在于：步骤S3通过点云数据分割、点云数据投影、二维轮廓查询和反投影进行提取。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，其特征在于：所述点云数据分割的方法包括：将采集到的点云数据利用移动最小二乘法将无序的点云数据进行平面拟合；利用点云数据拟合出标准标定块的各个表面，再根据拟合表面计算各表面的法向量；根据法向量方向滤除标准标定块侧面的无用点云数据。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，其特征在于：所述点云数据投影的方法包括：将点云分割出来的数据进行二维平面投影到同
7.根据权利要求6所述的一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，其特征在于：所述二维轮廓查询的方法包括：在二维投影图像中利用物体特征检索出标定块的轮廓和角点。
8.根据权利要求7所述的一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，其特征在于：所述反投影的方法包括：根据点云与二维投影图像的变换关系，将检测到的角点位置反投影到三维点云数据中，以确定三维点云数据中标准标定块顶点位置信息。
9.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，其特征在于：步骤S4所述空间坐标系和雷达坐标系的转换关系的表达式为：
10.一种基于激光雷达的三维空间快速定位方法，通过权利要求1至9任一项所述基于激光雷达的三维空间快速标定方法实现，其特征在于：包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，其特征在于：包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，其特征在于：步骤s1中测量标准标定块顶部四个顶点的空间坐标位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，其特征在于：所述激光雷达传感器安装于工作区域上方，可覆盖整个工作区域的任意位置。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，其特征在于：步骤s3通过点云数据分割、点云数据投影、二维轮廓查询和反投影进行提取。
5.根据权利要求4所述的一种基于激光雷达的三维空间快速标定方法，其特征在于：所述点云数据分割的方法包括：将采集到的点云数据利用移动最小二乘法将无序的点云数据进行平面拟合；利用点云数据拟合出标准标定块的各个表面，再根据拟合表面计算各表面的法向量；根据法向量方向滤除标准标定块侧面的无用点云数据。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光雷达的...
【专利技术属性】
技术研发人员：李程，吴玉秀，汪健，王璐，李轶，肖冰，张朋笑，李昱，
申请(专利权)人：武汉钢铁集团物流有限公司，
类型：发明
国别省市：
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